УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ Российский патент 2002 года по МПК H05H7/00 H05H1/34 

Предлагаемое изобретение относится к электронно-лучевой технике, а именно к устройствам для вывода интенсивных пучков частиц из вакуума в газовую среду высокого давления.

Известны устройства для вывода корпускулярных частиц через соосные отверстия, выполненные в последовательно расположенных камерах дифференциальной откачки, из которых отдельными насосами откачивается газ [1]. Таким образом, создается ступенчатое уменьшение давления до величины, при которой может работать источник частиц (См. Пат. США 358534 кл. 219-121 опубл. 15.06.71, пат. ГДР 75106 опубл. 20.07.72, АС СССР 126204 кл. Н 05 В 07/00 опубл. БИ 4 1960, АС СССР 1281141, AC СССР 999948 кл. H 01 J 3/00). В ряде случаев для поглощения газа могут использоваться сорбенты [2-3].

Недостаток подобных устройств заключается в ограничении мощности выводимого пучка из-за оседания частиц на краях отверстий. Увеличение же диаметра отверстий требует увеличения мощности вакуумных насосов для обеспечения вакуума в источнике частиц, что связано с увеличением материальных и энергетических затрат.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство для вывода частиц (АС СССР 1047371 кл. Н 05 Н 7/00). Устройство содержит источник частиц и пролетную камеру дифференциальной откачки. В камере выполнены отверстия для подсоединения к средствам вакуумной откачки, а также соосно расположенные входное и выходное отверстия с пролетными патрубками для выпуска частиц из области пониженного в область повышенного давления. Патрубки имеют форму полых конусов и направлены вершинами друг к другу. Патрубок, ближний к источнику, снабжен боковыми отверстиями. При откачке камеры и источника газ между патрубками формируется в виде струи. При обтекании газом патрубка, ближнего к источнику, на внешней стороне патрубка реализуется меньшее давление, чем внутри патрубка. Изготовление боковых дренажных отверстий позволяет удалять часть газа из канала вывода пучка обратно в камеру дифференциальной откачки и тем самым либо разгрузить источник частиц по давлению газа, либо при сохранении давления увеличить размер отверстия в патрубке.

Основной недостаток прототипа заключается в ограничении мощности выводимых частиц вследствие потерь частиц на газе и вокруг выводных отверстий патрубков. Согласно прототипу расстояние между патрубками, соответствующее минимальному давлению в источнике частиц, пропорционально диаметру выводного отверстия, а также давлению на срезе патрубка. При выводе технологических пучков токи, пропускаемые отверстиями, составляют 100-200 мА/мм² площади отверстия. Затрачиваемая на откачку газа мощность насосов составляет 5-10 кВт/мм² площади отверстий при оптимальном расстоянии между патрубками 5-10 диаметров выводных отверстий [4]. Эти условия совершенно недопустимы для вывода сильноточных пучков с энергией до 100 кэВ, вследствие большого диаметра пучков и почти полных потерь частиц из-за рассеяния на газе, а также массогабаритных ограничений производства по изготовлению откачных средств (примерно 10 кг веса насоса на 1 литр откачки при давлении 1 мм рт. ст.).

Мощность частиц в прототипе ограничена тем, что радиальное расширение струи газа невелико и она пролетает мимо камеры промежуточной откачки, почти не откачиваясь, вынуждая насосы промежуточной откачки работать вхолостую. В итоге, использование традиционного способа повышения мощности частиц за счет наращивания числа промежуточных камер теряет смысл.

Задача изобретения - увеличение мощности пучка частиц, выводимых из вакуума в газовую среду повышенного давления.

Эта задача достигается тем, что в устройстве для вывода частиц, содержащем источник частиц, пролетную камеру, дальний и ближний к источнику патрубки, соосные источнику частиц, между патрубком дальним от источника и камерой введена диэлектрическая вставка, а сам патрубок соединен с источником питания.

Сущность предлагаемого решения в том, что при истечении газа в вакуум струя расширяется пропорционально перепаду давления в потоке газа и температуре ([5] стр. 404, рис. 7.33; [5] таблицы параметров потока газа стр. 857-879). Электрическая изоляция патрубка и зажигание с него разряда в пролетной камере способствует развалу потока газа от оси вывода пучка за счет объемного нагрева газа, при котором разность температур вызывает разность давлений. В итоге струя газа не пролетает мимо камеры откачки прямо в источник, а отклоняется и откачивается насосом. Это приводит к уменьшению количества газа в источник, что позволяет при прежних насосах увеличить диаметр выводных отверстий и тем самым увеличить мощность выведенных частиц за счет их количества (т.е. за счет тока). Кроме того, расстояние, соответствующее минимальному давлению в источнике, сокращается от 5 до 2 диаметров выводных отверстий. Это уменьшает потери частиц на газе. Отпадает потребность в форме патрубков, поскольку струя, ориентированная в прототипе на выводное отверстие источника, отклонена по всем радиальным направлениям, и отверстие находится в статическом давлении, которое в несколько раз меньше напорного давления струи.

Роль введенных элементов в повышении мощности выводимых частиц.

Диэлектрическая вставка должна быть введена именно между патрубком, дальним от источника, и корпусом пролетной камеры. Именно от патрубка, дальнего от источника, при перепаде давления в струе начинают формироваться периферийные скачки уплотнения давления [4 стр.404]. Это способствует облегчению зажигания разряда по струе газа и ее радиальному отклонению. Таким образом, отклонение струи за счет разряда создает новый принцип воздействия на поток - электрофизический.

При зажигании разряда наблюдается явление термобароэффекта, при котором разность температур вызывает разность давлений. Величина изменения давления поперек струи Р_j/Р₃ (см. чертеж) может быть оценена из соотношения параметров при стационарном тепловом процессе в потоке газа [5] стр.227 формула (79).

P_j/P₃ = 1+k(λ²-1)/(λ²+1), (1)
где λ- табличный [5 стр.857-878)] коэффициент скорости потока: отношение скорости потока к скорости звука в неподвижном газе. (Для воздуха при P₁/P₀= l и λ = 0 - газ неподвижен; при P₁/P₀=0,528 и λ = 1 - скорость потока равна скорости звука; при P₁/P₀ = 0 и λ = 2,45 скорость потока достигает теоретического предела). В известных газодинамических окнах по энергетическим соображениям перепад давления на патрубке 5 не превышает двух-трех порядков. При теоретически возможном для воздуха коэффициенте скорости потока λ, не превышающем 2,45, предельная величина изменения давления, определенная по соотношению (1), близка к двум (P_j/P₃≈2).

При зажигании разряда непосредственно вокруг патрубка, дальнего от источника, формируется зона изменения параметров, эквивалентная изменению геометрической формы патрубка. Вследствие развала струи патрубок, ближний к источнику, находится в статическом давлении и его форма в отличие от аналогов и прототипа не влияет на перепад давления через пролетную камеру.

В связи с вышеизложенным предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

Предлагаемое решение отличается от известных по физике процесса и его экономичности. Отклонение потока газа выигрывает у систем с отклонением пучка по массогабаритным параметрам устройства и эффективности загрузки насосов, откачивающих промежуточные камеры. Предлагаемое решение выигрывает по экономичности у систем с отклонением потока подачей дополнительного газа (патент США 3162749 опубл. 22.12.1964), поскольку для откачки дополнительного газа требуется дополнительная мощность откачки. Предлагаемое решение выигрывает у систем с подачей сорбента к выводному отверстию с целью отклонения потока газа [2, 3], поскольку ресурс сорбента ограничен (особенно при высоких давлениях) и возникают проблемы с его удалением из камеры. В известных решениях [1-4] делается ставка на газодинамические явления и соответственно на форму элементов в струе газа. Однако при уменьшении давления влияние газодинамических эффектов ослабевает вследствие разреженности газа и решения, предлагаемые аналогами, перестают работать. В предлагаемом решении нет воздействия струи на патрубок, ближний к источнику. Соответственно форма патрубков не влияет на перепад давления между источником частиц и газовой средой. Сам же разряд может существовать в широком диапазоне больших и малых давлений. В предлагаемом решении впервые решена проблема независимости формы патрубка для получения минимального давления в источнике частиц. Это очень важно для уменьшения потерь частиц при выводе, поскольку на патрубке, ближнем к источнику, теряется подавляющая часть мощности и он часто плавится. На основании вышеизложенного предлагаемое устройство отвечает критерию "существенные отличия".

Конструкция заявляемого устройства представлена на рисунке применительно к выводу электронного пучка из источника электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда. Устройство состоит из источника частиц, образованного катодом 1 и анодом 2. Источник установлен на пролетной камере дифференциальной откачки 3. Эта камера снабжена патрубками 4, 5 диаметром 15 мм для вывода пучка частиц. Патрубок, дальний от источника (5), отделен от пролетной камеры диэлектрической вставкой 6 и подсоединен к источнику питания 7.

Устройство работает следующим образом. При откачке газа из камеры 3 и из источника частиц газ из окружающего пространства с давлением Р_Q и расходом Q через отверстие d патрубка 5 устремляется в направлении источника частиц. Часть потока Q₁ откачивается из камеры 3, остальная часть потока Q₂ откачивается из источника частиц до давления P₂. В предлагаемом устройстве газ, достигнув среза патрубка, начинает расширяться, стремясь к выравниванию давления с давлением P₁ в камере дифференциальной откачки. На срезе патрубка 5 реализуется давление P_j. При подаче напряжения на патрубок 5 в системе патрубок-камера по скачкам давления 8 (по краю струи) зажигается разряд. Нагретая струя - более широкая, чем холодная. В итоге, на поток газа, устремляющийся в направлении источника, накладывается поперечный градиент давления, что усиливает отклонение. Усиление отклонения позволяет сблизить патрубки, а также уменьшить давление в источнике частиц. При подаче напряжения на катод в системе возникает высоковольтный тлеющий разряд. Ионы из плазмы разряда устремляются на катод, из которого под действием ионной бомбардировки выбивают поток электронов (9). Электроны фокусируются в пучок и выводятся через патрубки в газовую среду. Таким образом, наложение на патрубок функции электрода дает ему функцию виртуального элемента, формирующего поток в нужном направлении в зависимости от тока источника питания. Это способствуют отклонению потока и возможности увеличить мощность частиц при сокращении расстояния транспортировки до двух-трех диаметров выводных отверстий.

Наличие поперечного градиента давления приводит к развалу струи в поперечном направлении, отклонению струи от выводного отверстия в патрубке 4. В отверстие патрубка 4 попадает газ с давлением P₁, которое в несколько раз меньше напорного давления Р*. (Полное давление в струе Р* отличается от статического P₁ в 10-20 раз [5, стр.403, абзац 2]). При прежних вакуумных насосах давление в источнике частиц уменьшается. Для достижения прежнего рабочего давления в источнике оказывается возможным увеличить диаметр отверстий в патрубках, а соответственно, и мощность частиц за счет тока.

Введение диэлектрической вставки между патрубком и пролетной камерой позволяет увеличить диаметр отверстий для вывода пучка и, соответственно, мощность выводимых частиц за счет тока пучка.

В конкретном случае для вывода электронного пучка в атмосферу с энергией 70 кэВ используется сильноточный электронный источник с инициированием пробоя по поверхности диэлектрика [6, стр.87]. В патрубках выполнены пролетные отверстия диаметром 5 мм (площадью 20 мм²). Откачка пролетной камеры дифференциальной откачки проводится водокольцевым насосом ВВН-3 до давления Р₁, равного 100 мм рт. ст. Откачка сильноточного источника проводится насосом ВН-7 до давления 0,1 мм рт. ст. Пролетная камера дифференциальной откачки изолирована от патрубка капролоновой вставкой. Патрубок 5 через сопротивление соединялся с источником питания, выдающим напряжение до 3000 В при токе до 3 А.

Величина увеличения площади отверстия для вывода частиц оценивается из соотношения вакуумной техники, связывающего расход газа Q, проводимость отверстия U и разность давлений по обе стороны отверстия патрубка 5.

Q=U(P₀-P₁) [7, формула без номера на стр.408],
где P₀ - давление в среде, куда выводится пучок.

U=200 А (м³/с) [7, стр.425, формула для U(15-14)],
где А - площадь выводного отверстия.

В случае развала струи от оси патрубков наблюдается уменьшение напорного давления струи от Р*≈Р₀ до давления Р₁, соизмеримого с давлением на входе насоса. Для сохранения прежнего расхода оказалось возможным увеличить диаметр выводного отверстия до 15 мм (площадь выводного отверстия соответствует 140 мм²). Соответственно увеличению площади отверстий увеличивается поток выводимых частиц за счет тока. При диаметрах выводных отверстий 5 мм в прототипе возможен вывод пучка электронов током 2 кА [8]. При энергии электронов 70 кэВ мощность частиц составит 140 МВт при расстоянии между срезами патрубков h= 10d= 50 мм. При этих же средствах откачки в данном устройстве площадь отверстий увеличена более чем в 7 раз (от 20 до 140 мм²). Расстояние между срезами патрубков уменьшено до 2х диаметров выводных отверстий. Мощность выведенных частиц за счет среза соответственно увеличена в 7 раз при уменьшении расстояния между патрубками в 5 раз (от 10d до 2d).

Величина увеличения мощности частиц за счет разряда может быть оценена по изменению расхода газа Q вследствие его прогрева [5, стр.195, формула (30)]:
Q_x/Q_г=[(2T_г/T_х)-l]^0,5
Индексы "х" и "г" относятся к холодному и горячему газу.

В предельном случае для воздуха Т_г/Т_х=2,04 ([5] стр.201, следствие из формулы 42а). Таким образом, изменение расхода от разряда Q_x/Q_г=1,75.

В общем случае расход газа Q через отверстие пропорционален площади этого отверстия А и температуре втекающего газа Т ([5], стр.153 формула 8а)
Q=0,0404 P₀A/T^0,5
При уменьшении расхода газа в 1,5 раза площадь выводного отверстия для сохранения прежнего расхода может быть увеличена в 1,5 раза без изменения параметров насоса. Таким образом, за счет разряда мощность выведенных частиц может быть увеличена еще в 1,5 раза.

Преимущества предлагаемого устройства перед известными в том, что при уменьшении давления приоритет в создании перепада давления переходит от систем на основе газодинамических эффектов к газоразрядным системам.

Таким образом, прелагаемое решение обладает элементами новизны, существенно отличается от известных и является полезным для производства.

Библиографические данные
1. Schumacher B.W. Dynamic Pressures Stages for High - pressure/ High - vacuum Systems. Trans. 8 th.nat. Vacuum Symposium and 2-nd Int. Congress a Vacuum science and technology. 1961, Washington, Pergamen Pres, 1962, 1192-1200.

2. АС СССР 581780 МКИ Н 05 Н 7/10. Устройство для вывода пучков ускоренных электронов. Ершов Б.Д., Кирилов И.Р., Прудников И.А. Саксаганский Г. Л. з. 15.7.76, опубл. БИ 6 15.2.89.

3. Ершов Б.Д., Саксаганский Г.Л. Устройство вывода пучка ускоренных частиц. АС СССР 1055310 МКИ Н 05 Н 7/00 опубл. 15.02.89 БИ 6.

4. Орликов Л. Н. Оптимизация газодинамического окна для вывода стационарных электронных пучков. ПТЭ, 2001, 1, с.137-139.

5. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976.

6. Орликов Л.Н., Толопа А.М., Погребняк А.Я., Рудич Е.Н. Ионный источник с плазменным анодом для модификации поверхности. 1 всес. конф. по Модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. - Томск, НИИЯФ, 1988, с.87-89.

7. Королев Б.И. Основы вакуумной техники. М.: Энергия, 1964.

8. Иевлев В. М., Коротеев А.С. Вывод в атмосферу и исследование мощных стационарных электронных пучков. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1981, N3, с.3-13.

Изобретение относится к электронно-лучевой технике, а именно к устройствам для вывода интенсивных пучков частиц из вакуума в газовую сферу высокого давления. Технический результат - увеличение мощности пучка частиц, выводимых их вакуума в газовую среду повышенного давления. В устройстве для вывода частиц, содержащем источник частиц, пролетную камеру, дальний и ближний к источнику патрубки, соосные источнику частиц, между патрубком, дальним от источника, и камерой введена диэлектрическая вставка, а сам патрубок соединен с источником питания. 1 ил.

Устройство для вывода частиц, содержащее источник частиц, пролетную камеру, дальний и ближний к источнику патрубки, соосные источнику частиц, в котором между патрубком, дальним от источника, и камерой введена диэлектрическая вставка, а сам патрубок соединен с источником питания.